Pin sodium – Na-ion – liệu có phải giải pháp thay thế giá rẻ của Li-ion? Cập nhật năm 2025

Bất kỳ ai làm việc trong ngành năng lượng đều biết tới sự thành công rực rỡ của pin lithium ion trong thương mại. Ngày nay chúng ta dùng pin li-ion từ vật bất li thân là điện thoại , máy tính tới xe cộ, máy công cụ và nhiều trò chơi giải trí và các ứng dụng lưu trữ cấp nguồn khác. Tuy nhiên, nhãn hàng “CẨN TRỌNG” luôn được gắn trên các sản phẩm này, và bất chấp nhiều tập tính tốt của người dùng thì rủi ro đối với li-ion dường như chưa bao giờ thực sự được giải quyết triệt để.

Công nghệ ngày này đang thay đổi như vũ bão với sự chạy đua không ngừng trong nghiên cứu khoa học, công nghệ toàn cầu. Có nhiều hướng rẽ để giải quyết bài toán đau đầu về tính an toàn cho người sử dụng, và pin sodium là một trong số đó. Trung Quốc đã đầu tư 1.5 tỷ USD để sản xuất công nghiệp pin sodium, có lẽ chúng ta cùng nhau điểm qua một số đặc điểm của loại pin này để có cái nhìn tốt hơn bạn nhé.

Lịch sử phát triển của pin sodium 

Nghiên cứu pin sodium đã bắt đầu từ những năm 1970, tuy nhiên con đường dẫn tới thương mại hóa loại pin này đã bị mờ nhạt và nhường ánh đèn sân khấu cho pin lithium ion. Tuy nhiên trong 10 năm gần đây, những nghiên cứu phát triển pin sodium đang trên đà trở lại, do bản thân lithium luôn chứa đựng các vấn đề không được giải quyết một cách triệt để. Ngoài ra, sự sẵn có của nguyên tố sodium và không bị giới hạn nguồn lực như lithium là một động cơ lớn để các hãng pin tìm kiếm giải pháp đa dạng hóa nguồn cung đầu vào, cũng như hạ giá thành sản phẩm và giảm thiểu tác động của môi trường.

Các vấn đề hạn chế của pin sodium ion.

Ion Na+ có đường kính lớn hơn nhiều so với ion lithium, chúng di chuyển chậm hơn. Vì vậy loại pin này có hạn chế là năng lượng riêng thấp, việc thẩm thấu ion ion Na+ vào các điện cực cũng khó khăn hơn. Các nghiên cứu khoa học đều xoay quanh làm sao giải quyết các khuyết điểm này để cải thiện hiệu quả hoạt động của pin.

 

Pin sodium là gì? Thành phần cấu tạo của pin sodium

Thành phần cấu tạo pin sodium

 

Như bạn có thể thấy rất trực quan, pin sodium, (hay còn gọi là SIB, NIB hay Na-ion) khá tương đồng với li-ion về thành phần cấu tạo chính và nguyên tắc hoạt động, nhưng thay vì dùng ion lithium (Li+) làm vật liệu hoạt động, người ta sử dụng ion Na+.

_{Cathode pin sodium NIB} 

_{Hiện nay cathode là vật liệu quan trọng chiếm phần lớn giá thành của pin sodium. Các vật liệu chính được nghiên cứu chia làm 3 hướng:}

1. _{Ôxit kim loại NaxMO2 với M là kim loại Ni, Mn, Fe, Co, Cu, … theo tỷ lệ 0 < x ≤ 1}
2. _{Hỗn hợp Polyanionic: Hợp chất hóa học theo công thức NaxMy (XaOb)zZw trong đó}

_{M là kim loại nặng như Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ca, Mg, Al, Nb}

_{X là P, S, As, Si, B, Mo, W, Ge…}

_{Z là  F, OH,}

3. _{Hỗn hợp Prussian blue: công thức hóa học là AxM1[M2(CN)6]·nH2O.}
4. _{Hỗn hợp Prussian White.} 

_{Các loại vật liệu cathode của pin sodium được bán tại thời điểm 2025. Nguồn: https://www.neicorporation.com/}

_{Anode pin sodium}

_{hard carbon. (khác với anode graphite của pin li-ion)}

_{Dung dịch điện phân:}

_{muối NaPF6 hòa tan trong dung môi este.}

_{Các thanh dẫn điện kim loại:}

_{Khác với pin li-ion , cả 2 thanh dẫn điện gắn vào cathode/anode của  pin Na-ion đều là nhôm Al.}

Màng phân tách

 

Nguyên tắc hoạt động của pin sodium:

Pin Sodium ion hay còn gọi là SIB hoặc pin Na-ion, có nguyên tắc hoạt động khá tương đồng với pin lithium ion, sẽ bao gồm hai quá trình sạc xả.

Dòng chuyển dời có hướng của các ion Na+ trong pin sodium 

Khi sạc, ion Na+ sẽ tách khỏi cathode, di chuyển trong dung dịch điện phân, vượt qua màng phân tách và chèn vào cấu trúc hard carbon ở anode. Các electron cũng di chuyển cùng hướng từ cathode sang anode qua dây dẫn bên ngoài.

Khi xả, quá trình của các ion và electron sẽ ngược lại quá trình sạc: ion Na+ sẽ rời anode và quay lại cathode, electron di chuyển cùng hướng ion nhưng qua mạch điện bên ngoài.

 

Các đặc tính của pin SIB

Trên quãng đường chạy đua về độ tinh gọn và các đặc tính ưu việt, Na ion đang chiếm hạng số 2 sau li-ion NCM về mật độ năng lượng (Energy Density) và là một ứng dụng hứa hẹn chiếm lĩnh thị trường vốn đang giành cho li-ion.

Nguồn: Commercialisation of high energy density sodium-ion batteries: Faradion’s journey and outlook

SIB chỉ đứng sau li-ion NCM về năng lượng riêng, đứng trước pin sắt LFP.

SIB có khoảng điện áp danh định 3.1V, Khoảng áp 1V-4.2V

Nguồn tham khảo: Pin sodium ion của hãng AMTE Power – UK 

Như các bạn có thể thấy, điện áp của pin sodium nằm trong khoảng 1-4.2V với áp danh định 3.1V (một số có thể lên tới 4.3V). Pin này có khả năng xả về điện áp 1V, tức vận chuyển pin SIB sẽ an toàn hơn nhiều so với li-ion, xử lý tốt vấn đề đau đầu của các nhà cung cấp dịch vụ logistics phải tuân thủ các quy định ngặt nghèo đối với pin lithium. Điện áp đỉnh của SIB là 4.2V khá tương đồng với li-ion.

Mật độ năng lượng thấp, hiện bằng ½ pin lithium ion phổ dụng

Năng lượng riêng là 140 tới 160WH/KG là khá thấp so với con số 300Wh/kg của li-ion. Điều này có nghĩa để cung cấp cùng lượng điện năng thì khối pin SIB sẽ nặng gần gấp đôi li-ion. Nếu dùng khối pin này cho EV đồng nghĩa với việc quãng đường đi được trên một lần sạc sẽ giảm đi đáng kể.

Pin sodium có thể sạc nhanh, xả mạnh

Biểu đồ sạc của cell pin sodium của hãng AMTE Power UK 

Cell SIB với khả năng sạc nhanh ấn tượng tới 93% SOC chỉ trong vòng 1 tiếng.

Biểu đồ xả của cell pin sodium của hãng AMTE Power UK 

Bạn có thể thấy cell SIB xả 3C liên tục mà vẫn giữ được 90% dung lượng. Ngoài ra nội trở trong thấp đạt 5-8 mΩ @ 50% SOC @ 10 giây.

Điểm đặc biệt của pin Na-ion: khả năng xả về 0V giúp giải quyết triệt để vấn đề an toàn khi vận chuyển / lưu trữ.

Không giống li-ion, Na-ion sử dụng nhôm (Al) làm thanh dẫn điện ở Anode, và vì hợp kim Na-Al tới nay chưa được phát hiện, nên việc Na xuất hiện trong Al với khối lượng đủ lớn có khả năng ảnh hưởng tới hiệu quả hoạt động của pin là không có. Do đó, pin sodium loại bỏ các quan ngại liên quan tới xả quá mức (overdischarge) vốn là điểm yếu của pin li-ion.

Nguồn: Tạp chí khoa học Energy Material Advances

Trong hình (a) là một pin Na-ion với cathode là ô xít Na_aNi_{(1−x − y−z)}Mn_xMg_yTi_zO₂, anode: carbon cứng, dung dịch điện phân muối sodium NaPF₆  trong dung môi hòa tan carbonat este có thể xả về 0V mà không có hiện tượng hòa tan thanh kim loại Al.

Khi cell bị xả về 0V, điện áp ở anode là khoảng 2.7V vs. Na/Na⁺  là một giá trị an toàn với khả năng bền về điện hóa đối với dung môi hòa tan carbonat este.

Hình (b): thể hiện việc sạc xả cell Na-ion trong khoảng 4.3V và 0V trong thời gian dài. Cell được giữ ở 0V trong vòng 48 tiếng ở cuối mỗi chu kỳ sạc xả. Như vậy, việc xả sâu về 0V không ảnh hưởng tới sự ổn định trong những vòng sạc kế tiếp. Hãng pin Faradion đã thử nghiệm trên cell SIB của họ việc để cell về 0V trong 3-6 thậm chí 12 tháng, và không ghi nhận ảnh hưởng tiêu cực lên tính ổn định khi hoạt động của cell pin trong các chu kỳ tiếp.

 

Ảnh hưởng của xả sâu lên cell Na-ion tới 0 V.

(a) sạc xả pin Na-ion cell trong khoảng 4.2 – 0 V với dòng ±C/10 ở 30°C, không ghi nhận phản ứng ngược trên anode hay cathode trong thời gian cell pin ở 0V.

(b, c) Đồ thị sạc xả qua nhiều chu kỳ của pin Na-ion cell trong khoảng 4.2 – 0 V với dòng ±C/5 ở 30°C & cell giữ ở 0V trong vòng 48 tiếng sau mỗi lần xả,

(d) Đồ thị sạc xả của cell Na-ion trong khoảng 4.2–1 V ở ±C/3 tại 30°C: một cell để ở 0V trong 6 tháng, cell còn lại hoạt động bình thường. Thử nghiệm không ghi nhận nhiều khác biệt trong hiệu quả hoạt động của cell trong các lần kế tiếp.

(e) Đồ thị sạc xả và biên thiên của nhiệt độ khi xả 1 cell sodium 12Ah với dòng 1C từ 4.2 V xuống 0 V tại nhiệt độ phòng, thể hiện nhiệt độ của cell tăng chỉ 10°C.

Tuy nhiên các bạn nên lưu ý, mẫu pin chúng tôi đưa ra làm ví dụ tiêu biểu được sản xuất bởi hãng pin tiên phong. Biểu hiện của pin sẽ tốt hơn các ứng dụng cho người tiêu dùng bạn thường thấy trên thị trường.

Tuổi thọ dài

Nguồn: Faradion battery 

Bạn có thể thấy pin Na-ion có vòng đời dài tùy thuộc vào độ sâu xả DOD. Pin có thể đạt tới 2700 lần sạc xả với dung lượng 85% ở DOD 78%.

Khoảng nhiệt hoạt động rộng

Sodium-ion có khả năng hoạt động trong khoảng nhiệt rộng từ -20°C tới +60°C. Vì vậy loại pin này hứa hẹn ứng dụng cao nơi thời tiết và khí hậu thách thức, đặc biệt là vùng ôn đới.

So sánh pin lithium và pin sodium 

So sánh pin lithium ion và pin SIB (cập nhật tháng 10/2025)

Tính chất	Pin Na-ion	Pin Li-ion
Năng lượng riêng (Energy density)	<160 WH/ Kg	<300Wh / kg
Trình độ sản xuất công nghiệp	Đang trong quá trình thử nghiệm, một số nhà cung cấp Trung Quốc đã bắt đầu thương mại hóa trên thị trường.	Trình độ sản xuất công nghiệp đạt độ chín với chất lượng sản phẩm ổn định.
Tính an toàn	Một số hãng đã chứng minh không có hiện tượng thermal runaway. Tuy nhiên, tiêu chí này cần kiểm nghiệm qua thời gian và hoạt động thực tế.	Pin li-ion luôn có nguy cơ xảy ra hiện tượng thermal runaway
Vòng đời	2000-3000 lần sạc xả	Pin Lithium LiFePO4: 3000 lần sạc xả. Pin li-ion NCM: trung bình 500 lần sạc xả.
Khả năng sạc nhanh	Có	Sạc chậm
Biểu hiện ở nhiệt độ thấp	Giữ được 90% dung lượng ở -20 độ C.	Gần như không hoạt động trong thời tiết cực đoan.
Tái chế	Tái chế với quy trình đơn giản	Việc tách chiết kim loại khá phức tạp.
Vận chuyển	Đơn giá vận chuyển rẻ do có thể xả về 0V, bảo quản đơn giản	Pin li-ion thuộc hàng nguy hiểm, vận chuyển đắt đỏ và thủ tục ngặt nghèo.